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    測力傳感器的穩定性及其優化工藝

    發布時間:2019-08-27 10:58:38 |來源:中國知網

    1 概述

    測力傳感器的穩定性對于各類電子試驗機和電子測力系統是至關重要的,它決定了整個產品和系統的穩定性。目前國內外對測力傳感器的穩定性尚無統一的評定標準和測試方法,世界各國的測力傳感器生產企業都承認穩定性是測力傳感器的重要質量指標,但在產品樣品和使用明書中卻很少給出穩定性指標。許多企業因測力傳感器是采用焊接密封抽真空充氮工藝,就注明防護密封等級為 IP68;采用聚氨酯等灌封膠實施盲孔灌封,就注明防護密封等級為 IP67,以此來提示用戶本測力傳感器可以較長時期工作。

    但業內人士有一個共同體會,即在目前條件下研制一個高準確度的測力傳感器并不困難,但研制一個長期穩定性好的測力傳感器卻十分困難,小批量生產測力傳感器的質量尚可控制,大批量生產卻難以控制。

    測力傳感器的穩定性分為三個時期,即初始不穩定期、穩定期和疲勞不穩定期。在初始不穩定期內測力傳感器的性能波動較大,主要表現在零點和靈敏度的不穩定。這是因為彈性元件經過毛坯鍛造、機械加工、熱處理、表畫處理、表面打磨、電阻應變計粘貼和加壓固化等工藝過程,在其內部和膠層之中產生殘余應力,隨著時間的增加殘余應力逐漸釋放,造成測力傳感器在使用早期性能不穩定。一般都是在測力傳感器出廠前,通過各種技術措施與工藝手段模擬使用條件,進行各種穩定性處理(也稱人工老煉試驗)使其在生產過程中基本渡過初始不穩定期,把性能波動減至最小,流通到用戶組測力裝置調試時已進入穩定工作時期。

     

    2 影響測力傳感器穩定性的因素

    影響測力傳感器穩定性的因素較多,歸納起來主要有:

    2.1 測力傳感器的結構

    測力傳感器的彈性元件、外殼、膜片及上壓頭、下壓墊的設計,都必須保證受載后在結構上不產生性能波動,或性能波動很小,為此在測力傳感器設計時,應盡量作到應變區受力單一,應力均勻一致;貼片部位最好為平面;在結構上保證具有一定的抗偏心載荷和側向載荷的能力;安裝力遠離應變區,測量時應避免載荷支承點的位移。盡管測力傳感器屬于裝配制造產品,但為了保證具有最佳技術性能和長期穩定性,盡可能將它設計成一個整體結構。

    2.2 彈性元件的金屬材料

    彈性元件的金屬材料對測力傳感器的綜合性能和長期穩定性起關鍵作用。應選擇強度極限和彈性極限高,彈性模量的時間、溫度穩定性好,彈性滯后小,機械加工和熱處理產生的殘余應力小的材料。有資料表明:只要材料淬火后的塑性好,它在機械加工和熱處理后的殘余應力就小。還要特別重視彈性模量隨時間的穩定性,要求在測力傳感器使用壽命期間內材料的彈性模具不發生變化。

    2.3 機械加工與熱處理工藝

    彈性元件在機械加工過程中,由于表面變形的不均勻產生較大的殘余應力,切削用量越大,殘余應力就越大,磨削加工產生的殘余應力最大。因此應制訂合理的加工工藝和規定適當的切削用量。彈性元件在熱處理過程中,由于冷卻溫度不均勻和金屬材料相變等原因,在芯部和表層產生方向不同的殘余應力,其芯部為拉應力,表層為壓應力。必須通過回火處理工藝,在其內部產生方向相反的應力,與殘余應力相互抵消,減少殘余應力的影響。

    2.4 電阻應變計與應變粘結劑

    電阻應變計應具有最佳性能,要求靈敏系數穩定性好,熱輸出小,機械滯后和蠕變小,應變量為 1000×10- 6 時疲勞壽命可達 108,電阻值偏差小,批次質量均一性好等。

    應變粘結劑應具有粘結強度大,抗剪強度高;彈性模量較大且穩定;電絕緣性能好;具有與彈性元件相同或相近的熱膨脹系數;蠕變和滯后??;固化時膠層體積收縮小等。粘貼電阻應變計時一定要嚴格控制膠層厚度,因為粘結強度隨膠層厚度的增加而降低。這是由于薄的膠層需要更大的應力才能變形,不易產生流動和蠕變,界面上的內應力很小,產生氣泡和缺陷的幾率也比較小,應變傳遞性能好,只要防護密封合理就可達到較高的穩定性水平。

    2.5 制造工藝流程

    應變式測力傳感器的工作原理和總體結構決定了,在生產工藝流程中有些工序必須手工操作,人為的因素對測力傳感器的質量影響較大。因此必須制訂科學合理并可重復的制造工藝流程,并在其中增加電子計算機控制的自動化或半自動化工序,盡量減少人為因素對產品質量的影響。

    2.6 電路補償與調整

    應變式測力傳感器屬于裝配制造,貼片組橋后就形成了產品,由于內部不可避免的產生一些缺陷和外界環境條件的影響,測力傳感器的某些性能指標達不到設計要求,因此必須進行各項電路補償與調整,提高測力傳感器本身的穩定性和對外部環境條件的穩定性。完善而精細的電路補償工藝,是提高測力傳感器穩定性的重要環節。

    2.7 防護與密封

    防護與密封是測力傳感器制造工藝流程中的要害工序,是測力傳感器耐受客觀環境和感應環境影響而能穩定可靠工作的根本保障。如果防護密封不良,粘貼在彈性元件上的電阻應變計及應變粘結劑膠層,都會吸收空氣中的水分而產生增塑,造成粘結強度和剛度下降,引起零點漂移和輸出無規律變化,直至測力傳感器失效。因此有效的防護密封是測力傳感器長期穩定工作的根本保證,否則將使各項工藝成果前功盡棄。

    2.8 穩定性處理 (人工老煉試驗)

    提高測力傳感器的穩定性除處理好上述各種因素的影響外,最重要的途徑就是采取各種技術措施和工藝手段,模擬使用條件進行有效的人工老練試驗,盡量多的釋放殘余應力使其性能波動減至最小。

     

    3 測力傳感器的穩定性處理工藝

    由于彈性元件在毛坯鍛造、機械加工、熱處理、表面打磨、電阻應變計粘貼和加壓固化等工藝過程中產生各種殘余應力,隨著時間和使用條件的變化不斷松弛釋放,而造成測力傳感器的性能波動,主要表現在零點和靈敏度不穩定。為使測力傳感器在生產過程中渡過初始不穩定期,采用工藝手段模擬各種使用條件進行試驗,使其盡快穩定的工藝稱為穩定性處理,也稱人工老煉試驗。

    測力傳感器釋放殘余應力的穩定性處理方法,除制造工藝流程中常用的溫度老化和電老化處理外,主要有兩種方法,即熱處理法和機械法。

    3.1 熱處理法

    多應用于鋁合金測力傳感器,在毛坯加工成彈性元件后進行,主要有反淬火法、冷熱循環法和恒溫時效法。

    1) 反淬火法

    國內也稱深冷急熱法。將鋁合金彈性元件置于 - 196℃的液氮中,保溫 12 小時后,迅速用新生的高速蒸汽噴射或放入沸水之中。因深冷與急熱產生的應力方向相反而相互抵消,達到釋放殘余應力的目的。試驗表明,采用液氮—— — 高速蒸汽法可降低殘余應力 84%,采用液氮—— — 沸水法可降低殘余應力 50%。

    2) 冷熱循環法

    冷熱循環穩定性處理工藝為 - 196℃×4 小時/190℃×4 小時,循環 3 次,可使殘余應力下降90%左右,并且組織結構穩定,微量塑性變形抗力高,尺寸穩定性好。釋放殘余應力的效果如此明顯,一是因為加熱時原子熱運動能量增加,點陣畸變減小或消失,內應力下降,上限溫度越高,原子熱運動越大塑性越好,越有利于殘余應力釋放。二是因為冷熱溫度梯度產生的熱應力與殘余應力相互作用,使其重新分布而獲得殘余應力下降的效果。

    3) 恒溫時效法

    恒溫時效即可消除機械加工產生的殘余應力,又能消除熱處理引入的殘余應力。LY12 硬鋁合金在 200℃高溫下恒溫時效時,殘余應力釋放與時效時間關系表明,保溫 24 小時,可使殘余應力下降50%左右。

    3.2 機械法

    機械法穩定性處理,多在測力傳感器電路補償與調整和防護密封后,基本形成產品時進行。主要工藝有脈動疲勞法、超載靜壓法和振動時效法。

    1) 脈動疲勞法

    將測力傳感器安裝在低頻疲勞試驗機上,施加下限為 l/5~113) 額定載荷,上限為額定載荷或 120%額定載荷,以每秒 3~5 次的頻率進行5000~10000 次的循環??捎行У尼尫艔椥栽?、電阻應變計、應變粘結劑膠層的殘余應力,提高零點和靈敏度穩定性的效果極為明顯。

    2) 超載靜壓法

    理論上適用于各種量程,但在實際生產中以鋁合金小量程測力傳感器應用較多。其工藝是:在專用的標準砝碼加載裝置中或簡易的機械螺旋加載設備上,對測力傳感器施加 125%額定載荷,保持 4~8 小時,或施加 110%額定載荷,保持 24小時,兩種工藝都可以達到釋放殘余應力,提高零點和靈敏度穩定性的目的。由于超載靜壓工藝所用設備簡單,成本低,效果好,為鋁合金測力傳感器制造企業廣泛采用。

    3) 振動時效 (Vibratory Sterss Reliering) 法

    將測力傳感器安裝在額定正弦推力滿足振動時效要求的振動臺上,根據稱重傳感器的額定量程估算頻率,來決定施加的振動載荷、工作頻率和振動時間。共振時效比振動時效釋放殘余應力的效果更好,但必須測量出測力傳感器的固有頻率。振動時效和共振時效工藝的特點是:能耗低,周期短,效果好,不損壞彈性元件表面,而且操作簡單。

    振動時效的機理,目前尚無定論。國外專家提出的理論和觀點有:塑性變形理論、疲勞理論、晶格錯位滑移理論、能量觀點及材料力學觀點等。只是作出了不同程度的解釋,但都沒有充分的、有說服力的、權威性的試驗證明。這些理論和觀點往往是相互交叉的,所以可認為振動時效的機理是一個復雜的過程。

    經過振動時效的試驗研究,有些專家傾向于用材料力學的重復應力過載的觀點,解釋振動時效的機理。即作用在彈性元件上的振動應力與其內部的殘余應力相互作用,使殘余應力松弛并釋放。

    準的應用從根本上改變了原衡器產品型號編制方法,規范了法制計量管理與技術監督,對促進衡器行業公正、公平、公開競爭,維護行業健康、持續發展起到積極作用,為社會的進步發展具有很大的社會效益。

    作者:孫惠穎

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